CN112172974A - 一种基于cps的共享单车车锁嵌入式实时控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，属于共享交通工具技术领域。包括车锁外壳和设置在车锁外壳表面的二维码扫描区，车锁外壳下方设有一个拱形孔洞，车锁外壳内部拱形孔洞的上侧设有动力核心发电模块、锂电池、NB‑IOT通信模块、二维码识别模块、STM32单片机、北斗导航模块和音频模块，车锁外壳两侧的内部均设有压敏传感器，两个压敏传感器组成压敏传感器组，车锁外壳内侧的下方且在拱形孔洞的两侧均设有平移伸缩架，平移伸缩架的伸缩杆上的连接块通过拱形孔洞两侧的通孔由推动车轮的滚动从车锁外壳内部伸出且连接块末端设有刹车片，平移伸缩架组成平移伸缩架组。本发明防盗能力强，并能防止锁芯生锈，并改进了电源和通讯系统。
Description
技术领域
本发明涉及共享交通工具技术领域,具体为一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置。
背景技术
近年来，共享单车是社会生活中快速发展的一种新兴的共享经济模式产物。共享单车作为中国新四大发明之一，可以满足城市内“最后一公里”的出行需求，不管从经济角度，还是生活角度，这一方面的技术，都有很大的投入研究价值。但共享单车自发明以来，整体结构变化不大，可以说，现在的单车结构依旧存在很大的上升空间，尤其体现在共享单车车锁的问题。
现有技术中的车锁，在经历天气潮湿的情况下，锁式部分裸露的金属质地的锁芯容易生锈；而且防盗性能，有待提升；此外，共享单车的车锁的持续运行的能源问题也有待解决，目前有光伏供电和锂电池供电两种方式，但从原理上来说，都不理想。
鉴于此，本设计拟提出一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置。本发明的技术来源于云南省技术创新人才资助项目(2019HB113)；云南省“万人计划”产业技术领军人才资助项目(云发改人事[2019]1096号)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，以解决现有技术中的问题。
本发明采用的技术方案是：一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，包括车锁外壳1和设置在车锁外壳1表面的二维码扫描区11，所述车锁外壳1下方设有一个拱形孔洞12，所述车锁外壳1内部拱形孔洞12的上侧设有动力核心发电模块101、锂电池102、NB-IOT通信模块103、二维码识别模块104、STM32单片机105、北斗导航模块108和音频模块109，所述车锁外壳1两侧的内部均设有压敏传感器1061，所述两个压敏传感器1061组成压敏传感器组106，所述车锁外壳1内侧的下方且在拱形孔洞12的两侧均设有平移伸缩架组14，平移伸缩架组14伸缩杆上的连接块142通过拱形孔洞12两侧的通孔从车锁外壳1内部伸出且连接块142末端连接有刹车片103，动力核心发电模块101连接锂电池102，所述锂电池102分别连接压敏传感器组106、STM32单片机105、NB-IOT通信模块103和音频模块109，压敏传感器组106、北斗导航模块108和二维码识别模块104输入连接STM32单片机105，STM32单片机105输出连接平移伸缩架组14、音频模块109、NB-IOT通信模块103，所述NB-IOT通信模块103连接网点2。
具体地，所述平移伸缩架组14安装在刹车片13前端的车锁支架内，包括平移伸缩架141、连接块142、微型驱动器143、推动车轮144、立杆145；立杆145包括左侧立杆和右侧立杆，微型驱动器143安装在车锁左边的左侧立杆内部且与STM32单片机105连接，并与平移伸缩架141的一端连接，平移伸缩架141的另一端与右侧立杆连接，右侧立杆的底部安装有推动车轮144，中部外侧固定有连接块142，连接块142与刹车片13连接。
具体地，所述STM32单片机105的电路元件包括STM32F103CRCT6单片机芯片U1、程序下载端口P3、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4、电容C5、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、晶振Y1，电路连接方式如下：所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的5号引脚分别连接电阻R4的一端以及晶振Y1的一端和电容C4的一端、6号引脚分别连接电阻R4的另一端和晶振Y1的另一端和电容C5的一端，电容C4以及和电容C5的另一端接地，所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的13号引脚、19号引脚、32号引脚、48号引脚、64号引脚同时连接电容C12、电容C13、电容C14、电容C15的一端以及接地，所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的7号引脚连接电容C6和电阻R5的一端，电阻R5的另一端接3.3V电源，电容C6的另一端接地所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的12号引脚、18引脚、31号引脚、47号引脚、63号引脚同时连接电容C12、电容C13、电容C14、电容C15的另一端以及3V3电源，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的16号引脚、17号引脚接GD5801语音模块U3的14号引脚、15号引脚，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的22号引脚接运算放大器的3号引脚通过PA6，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的42号引脚、43号引脚接NB-IOT模块的SIM7080G芯片，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的60号引脚接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的46号引脚、49号引脚接接程序下载端口P3的2号引脚、3号引脚，所述程序下载端口P3的1号引脚接3V3电源，所述程序下载端口P3的4号引脚接地。
具体地，所述NB-IOT通信模块103的电路组成元件包括SIM7080G芯片S1、SIM模块U2、GPS模块P2、网络信号LTE模块P1，电感L1、电阻R1、电阻R2、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电容C1、电容C2、电容C3、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、发光二极管D1、发光二极管D2、发光二极管D3、发光二极管D4、三极管Q1、三极管Q2；电路连接方式如下：所述SIM模块U2的1号引脚连接电阻R17的一端，电阻R17的另一端连接SIM7080G芯片S1的15号引脚，电阻R17的另一端连接电容C17的一端，电容C17的另一端接地，所述SIM模块U2的3号引脚接地，所述SIM模块U2的5号引脚连接电阻R18的一端电阻R18的另一端连接SIM7080G芯片S1的17号引脚以及电容C19的一端，电容C19的另一端接地，所述SIM模块U2的4号引脚连接电阻R19的一端电阻R19的另一端连接SIM7080G芯片S1的16号引脚以及电容C18的一端，电容C18的另一端接地，所述SIM模块U2的6号引脚接电容C16的一端，电容C16的另一端接地，所述GPS模块P2的1号引脚和3号引脚接地，GPS模块P2的2号引脚连接电感L1的一端以及电容C1的一端，电感L1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接VBAT，电容C1的另一端连接SIM7080G芯片S1的68号引脚，所述网络信号LTE模块P1的1引脚和3号引脚接地，所述网络信号LTE模块P1的2号引脚电阻R1的一端和电容C3的一端，电阻R1的另一端接电容C2的一端以及SIM7080G芯片S1的32号引脚，电容C2和C3的另一端接地，所述SIM7080G芯片S1的30号引脚、31号引脚、33号引脚、66号引脚、67号引脚、33号引脚、8号引脚、13号引脚、19号引脚、21号引脚、27号引脚、45号引脚、63号引脚、69号引脚、70号引脚、71号引脚、71号引脚、73号引脚、74号引脚、75号引脚、76号引脚、77号引脚号引脚接地，所述SIM7080G芯片S1的40号引脚接VDD_EXT,所述SIM7080G芯片S1的41号引脚接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接发光二极管D2的正极，发光二极管D2的负极接地，所述SIM7080G芯片S1的42号引脚接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接发光二极管D4的正极，发光二极管D4的负极接地，所述SIM7080G芯片S1的34号引脚、35号引脚接电容C7、电容C8、电容C9、发光二极管D1的负极、电容C10、电容C11的一端以及VBAT和电阻R8的一端，电阻R8的另一端接发光二极管D3的正极，发光二极管D3的负极接地，所述SIM7080G芯片S1的36号引脚、37号引脚接电容C7、电容C8、电容C9、发光二极管D1的正极、电容C10、电容C11的另一端及接地，所述SIM7080G芯片S1的1号引脚接三极管Q1的发射极，三极管Q1的基极接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接VDD_EXT，三极管Q1的集电极接电阻R7的一端以及STM32F103CRCT6单片机芯片U1的42号引脚,电阻R7的另一端接VCC_UP,所述SIM7080G芯片S1的2号引脚接三极管Q2的集电极，三极管Q2的集电极接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接VCC_UP，三极管Q2的基极接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接VDD_EXT，三极管Q2的发射极接电阻R3的一端以及STM32F103CRCT6单片机芯片U1的43号引脚,电阻R13的另一端接VCC_UP。
具体地，所述音频模块109电路中的电气元件包括LM4871功放芯片U4、GD5801语音模块U3、TF存储器芯片TF1、喇叭BEEP、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C26、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27和发光二极管D5；电路的连接方式如下：所述TF存储器芯片TF1的3号、5号、7号引脚分别连接GD5801语音模块U3的1号、2号、3号引脚，所述TF存储器芯片TF1的4号引脚连接电阻R24和电容C28的一端，电阻R24的另一端连接3V3电源，电容C28的另一端以及TF存储器芯片TF1的6号引脚接地，TF存储器芯片TF1的9号引脚接地，所述GD5801语音模块U3的8号引脚、13号引脚接地，所述GD5801语音模块U3的4号引脚连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接3V3电源，所述GD5801语音模块U3的7号引脚连接电容C29的一端，连接电容C29的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的16号引脚连接发光二极管D5的负极，发光二极管D5的正极连接电阻R22的一端，电阻R22的另一端接3V3电源，所述GD5801语音模块U3的12号引脚连接5V电源以及电容C27的一端，电容C27的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的11号引脚连接3V3电源以及电容C26的一端，电容C26的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的9号引脚、10号引脚别连接LM4871功放芯片U4的电容C22和电容C20，电容C22的另一端连接电阻R26，电容C20的另一端连接电阻R25，电阻R25的另一端和电阻R26的另一端相连，电阻R25的另一端和电阻R26的另一端同时连接电容C23的一端，电容C23的另一端和LM4871功放芯片U4的4号引脚以及电阻R27的一端相连，电阻R27的另一端和LM4871功放芯片U4的5号引脚相连，所述LM4871功放芯片U4的2号引脚、3号引脚共同连接电容C21的一端，电容C21的另一端接地，所述LM4871功放芯片U4的1号引脚连接电阻R20、电阻R21的一端，电阻R20的另一端接3V3电源，电阻R21的另一端接地，所述LM4871功放芯片U4的7号引脚接地，所述LM4871功放芯片U4的8号引脚接喇叭BEEP的负极，所述LM4871功放芯片U4的6号引脚接喇叭BEEP的正极以及电容C24的一端以及6V电源，电容C25的一端连接6V电源以及LM4871功放芯片U4的6号引脚，电容C24、电容C25的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的14号引脚、15号引脚分别连接STM32F103RCT6单片机芯片U1的16号引脚、17号引脚。
具体地，所述压敏传感器1061电路中的电气元件包括R14电阻、R15电桥、R16滑动变阻器、运算放大器；R15电桥由Rc、Rb、Ra、Rb四个压敏应变片串联而成，电路的连接方式如下：运算放大器1号引脚连接R16滑动变阻器以及R15电桥的压敏应变片Rc和压敏应变片Rb压敏应变片的另一端，压敏应变片Ra、压敏应变片Rb的另一端与3V3电源连接，压敏应变片Rc、压敏应变片Rb的另一端接地，压敏应变片Ra、压敏应变片Rd的另一端连接运算放大器的2号引脚，运算放大器的3号引脚连接R14电阻的一端，R14电阻的另一端与运算放大器的4号引脚VCC端口和3V3电源连接，运算放大器的5号引脚接地。运算放大器的3号引脚通过PA6与STM32F103RCT6单片机芯片U1的22号引脚。
本发明的有益效果是：
1、本发明的动力核心发电模块可以通过将单车运动时产生的动能转化为电能，相对于传统的光伏供电和蓄电型的供电，动能转化为电能的补充不受光伏设备的环境影响，也不受制于蓄电模式的续航有限的问题。
2、本发明可以通过压敏传感器获得单车的状态(车锁是否遭到破坏，是否具有被盗的风险)；若车锁外部压力产生的形变量程度超过设定值，电压比较器的电压发生变化，将信号传给单片机模块，单片机模块通过高电平控制音频模块发出语音报警信号，并同时通过NB-IOT通讯给附近网点或者移动终端报警。
3、本发明可以通过北斗定位导航系统，实时监测单车的位置，能够及时知道异常情况所在地。
4、本发明中使用的NB-IOT通信模块，降低系统的复杂度、功耗以及数据率，加强网络覆盖以及部署能力，提升了无线信号的穿透能力，同时极大地提高了续航时间，进行实时通信，实现较远距离的、低功耗的、高效率的信息传输方式，拥有发展前景。
5、本发明使用的平移伸缩架模块，采用高质量工程塑料代替普通材质弹簧，实现在锁的内部不易粘尘，不容易被污染气体腐蚀，不生锈，而且相比于弹簧抗扭曲，耐磨耐晒，不易老化，使用寿命长，有效的降低维护成本。
6、本发明可以通过改进车锁的锁紧结构，有别与传统的锁芯卡在车轮轮辐之间，而使用摩擦锁紧的结构，该结构不具有金属的伸出结构，可预防车锁遇水生锈的问题，降低车锁的损坏率。
附图说明
图1为本发明车锁的内部剖视图；
图2为本发明车锁的整体外形示意图；
图3为本发明的平移伸缩架放大图；
图4为本发明的系统原理框图；
图5为本发明中的NB-IOT通信模块的电路连接图；
图6为本发明中的STM32单片机的电路连接图；
图7为本发明中的音频模块的电路连接图；
图8为本发明中的压敏传感器的电路结构图。
图中：1、车锁外壳；2、网点；11、二维码扫描区；12、拱形孔洞；13、刹车片；14、平移伸缩架组；101、动力核心发电模块；102、锂电池；104、二维码识别模块；103、NB-IOT通信模块；105、STM32单片机；106、压敏传感器组；1061、压敏传感器；108、北斗导航模块；109、音频模块；141、平移伸缩架；142、连接块；143、微型驱动器；144、推动车轮；145、立杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的说明。
实施例1：如图1-8所示，一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，包括车锁外壳1和设置在车锁外壳1表面的二维码扫描区11，车锁外壳1下方设有一个拱形孔洞12，车锁外壳1内部拱形孔洞12的上侧设有动力核心发电模块101、锂电池102、NB-IOT通信模块103、二维码识别模块104、STM32单片机105、北斗导航模块108和音频模块109，车锁外壳1两侧的内部均设有压敏传感器1061，两个压敏传感器1061组成压敏传感器组106，所述车锁外壳1内侧的下方且在拱形孔洞12的两侧均设有平移伸缩架组14，平移伸缩架组14伸缩杆上的连接块142通过拱形孔洞12两侧的通孔从车锁外壳1内部伸出且连接块142末端连接有刹车片103，动力核心发电模块101连接锂电池102，所述锂电池102分别连接压敏传感器组106、STM32单片机105、NB-IOT通信模块103和音频模块109，压敏传感器组106、北斗导航模块108和二维码识别模块104输入连接STM32单片机105，STM32单片机105输出连接平移伸缩架组14、音频模块109、NB-IOT通信模块103，所述NB-IOT通信模块103连接网点2。
进一步地，所述的平移伸缩架组14安装在刹车片13前端的车锁支架内，包括平移伸缩架141、连接块142、微型驱动器143、推动车轮144、立杆145；立杆145包括左侧立杆和右侧立杆，微型驱动器143安装在车锁左边的左侧立杆内部且与STM32单片机105连接，并与平移伸缩架141的一端连接，平移伸缩架141的另一端与右侧立杆连接，右侧立杆的底部安装有推动车轮144，中部外侧固定有连接块142，连接块142与刹车片13连接。
进一步地，所述STM32单片机105的电路元件包括STM32F103CRCT6单片机芯片U1、程序下载端口P3、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4、电容C5、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、晶振Y1，电路连接方式如下：所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的5号引脚分别连接电阻R4的一端以及晶振Y1的一端和电容C4的一端、6号引脚分别连接电阻R4的另一端和晶振Y1的另一端和电容C5的一端，电容C4以及和电容C5的另一端接地，所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的13号引脚、19号引脚、32号引脚、48号引脚、64号引脚同时连接电容C12、电容C13、电容C14、电容C15的一端以及接地，所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的7号引脚连接电容C6和电阻R5的一端，电阻R5的另一端接3.3V电源，电容C6的另一端接地所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的12号引脚、18引脚、31号引脚、47号引脚、63号引脚同时连接电容C12、电容C13、电容C14、电容C15的另一端以及3V3电源，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的16号引脚、17号引脚接GD5801语音模块U3的14号引脚、15号引脚，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的22号引脚接运算放大器的3号引脚通过PA6，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的42号引脚、43号引脚接NB-IOT模块的SIM7080G芯片，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的60号引脚接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的46号引脚、49号引脚接接程序下载端口P3的2号引脚、3号引脚，所述程序下载端口P3的1号引脚接3V3电源，所述程序下载端口P3的4号引脚接地。
进一步地，所述NB-IOT通信模块103的电路组成元件包括SIM7080G芯片S1、SIM模块U2、GPS模块P2、网络信号LTE模块P1，电感L1、电阻R1、电阻R2、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电容C1、电容C2、电容C3、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、发光二极管D1、发光二极管D2、发光二极管D3、发光二极管D4、三极管Q1、三极管Q2；电路连接方式如下：所述SIM模块U2的1号引脚连接电阻R17的一端，电阻R17的另一端连接SIM7080G芯片S1的15号引脚，电阻R17的另一端连接电容C17的一端，电容C17的另一端接地，所述SIM模块U2的3号引脚接地，所述SIM模块U2的5号引脚连接电阻R18的一端电阻R18的另一端连接SIM7080G芯片S1的17号引脚以及电容C19的一端，电容C19的另一端接地，所述SIM模块U2的4号引脚连接电阻R19的一端电阻R19的另一端连接SIM7080G芯片S1的16号引脚以及电容C18的一端，电容C18的另一端接地，所述SIM模块U2的6号引脚接电容C16的一端，电容C16的另一端接地，所述GPS模块P2的1号引脚和3号引脚接地，GPS模块P2的2号引脚连接电感L1的一端以及电容C1的一端，电感L1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接VBAT，电容C1的另一端连接SIM7080G芯片S1的68号引脚，所述网络信号LTE模块P1的1引脚和3号引脚接地，所述网络信号LTE模块P1的2号引脚电阻R1的一端和电容C3的一端，电阻R1的另一端接电容C2的一端以及SIM7080G芯片S1的32号引脚，电容C2和C3的另一端接地，所述SIM7080G芯片S1的30号引脚、31号引脚、33号引脚、66号引脚、67号引脚、33号引脚、8号引脚、13号引脚、19号引脚、21号引脚、27号引脚、45号引脚、63号引脚、69号引脚、70号引脚、71号引脚、71号引脚、73号引脚、74号引脚、75号引脚、76号引脚、77号引脚号引脚接地，所述SIM7080G芯片S1的40号引脚接VDD_EXT,所述SIM7080G芯片S1的41号引脚接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接发光二极管D2的正极，发光二极管D2的负极接地，所述SIM7080G芯片S1的42号引脚接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接发光二极管D4的正极，发光二极管D4的负极接地，所述SIM7080G芯片S1的34号引脚、35号引脚接电容C7、电容C8、电容C9、发光二极管D1的负极、电容C10、电容C11的一端以及VBAT和电阻R8的一端，电阻R8的另一端接发光二极管D3的正极，发光二极管D3的负极接地，所述SIM7080G芯片S1的36号引脚、37号引脚接电容C7、电容C8、电容C9、发光二极管D1的正极、电容C10、电容C11的另一端及接地，所述SIM7080G芯片S1的1号引脚接三极管Q1的发射极，三极管Q1的基极接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接VDD_EXT，三极管Q1的集电极接电阻R7的一端以及STM32F103CRCT6单片机芯片U1的42号引脚,电阻R7的另一端接VCC_UP,所述SIM7080G芯片S1的2号引脚接三极管Q2的集电极，三极管Q2的集电极接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接VCC_UP，三极管Q2的基极接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接VDD_EXT，三极管Q2的发射极接电阻R3的一端以及STM32F103CRCT6单片机芯片U1的43号引脚,电阻R13的另一端接VCC_UP。
进一步地，所述音频模块109电路中的电气元件包括LM4871功放芯片U4、GD5801语音模块U3、TF存储器芯片TF1、喇叭BEEP、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C26、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27和发光二极管D5；电路的连接方式如下：所述TF存储器芯片TF1的3号、5号、7号引脚分别连接GD5801语音模块U3的1号、2号、3号引脚，所述TF存储器芯片TF1的4号引脚连接电阻R24和电容C28的一端，电阻R24的另一端连接3V3电源，电容C28的另一端以及TF存储器芯片TF1的6号引脚接地，TF存储器芯片TF1的9号引脚接地，所述GD5801语音模块U3的8号引脚、13号引脚接地，所述GD5801语音模块U3的4号引脚连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接3V3电源，所述GD5801语音模块U3的7号引脚连接电容C29的一端，连接电容C29的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的16号引脚连接发光二极管D5的负极，发光二极管D5的正极连接电阻R22的一端，电阻R22的另一端接3V3电源，所述GD5801语音模块U3的12号引脚连接5V电源以及电容C27的一端，电容C27的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的11号引脚连接3V3电源以及电容C26的一端，电容C26的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的9号引脚、10号引脚别连接LM4871功放芯片U4的电容C22和电容C20，电容C22的另一端连接电阻R26，电容C20的另一端连接电阻R25，电阻R25的另一端和电阻R26的另一端相连，电阻R25的另一端和电阻R26的另一端同时连接电容C23的一端，电容C23的另一端和LM4871功放芯片U4的4号引脚以及电阻R27的一端相连，电阻R27的另一端和LM4871功放芯片U4的5号引脚相连，所述LM4871功放芯片U4的2号引脚、3号引脚共同连接电容C21的一端，电容C21的另一端接地，所述LM4871功放芯片U4的1号引脚连接电阻R20、电阻R21的一端，电阻R20的另一端接3V3电源，电阻R21的另一端接地，所述LM4871功放芯片U4的7号引脚接地，所述LM4871功放芯片U4的8号引脚接喇叭BEEP的负极，所述LM4871功放芯片U4的6号引脚接喇叭BEEP的正极以及电容C24的一端以及6V电源，电容C25的一端连接6V电源以及LM4871功放芯片U4的6号引脚，电容C24、电容C25的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的14号引脚、15号引脚分别连接STM32F103RCT6单片机芯片U1的16号引脚、17号引脚。
进一步地，所述压敏传感器1061电路中的电气元件包括R14电阻、R15电桥、R16滑动变阻器、运算放大器；R15电桥由Rc、Rb、Ra、Rb四个压敏应变片串联而成，电路的连接方式如下：运算放大器1号引脚连接R16滑动变阻器以及R15电桥的压敏应变片Rc和压敏应变片Rb压敏应变片的另一端，压敏应变片Ra、压敏应变片Rb的另一端与3V3电源连接，压敏应变片Rc、压敏应变片Rb的另一端接地，压敏应变片Ra、压敏应变片Rd的另一端连接运算放大器的2号引脚，运算放大器的3号引脚连接R14电阻的一端，R14电阻的另一端与运算放大器的4号引脚VCC端口和3V3电源连接，运算放大器的5号引脚接地。运算放大器的3号引脚通过PA6与STM32F103RCT6单片机芯片U1的22号引脚。
本发明的工作原理是：
一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，可广泛应用于公共区域，本设计改善了车锁的结构，实现对共享单车的全方位保护和监护，防止单车被偷，突发断电等情况的发生。具体功能实现如图1的所示：首先单车被偷的实时报警功能：在某些公共区域，车锁中压敏传感器的压敏应变片Ra、Rb、Rc、Rd构成电桥，使得形变产生的电压更加明显，当单车车锁外部压力产生的形变量程度超过设定值，电压比较器的电压发生变化，通过电压比较器得到电压的变化，再有PA6输出到STM32单片机模块105。由于单车的经纬度信息存储在云端服务器。NB-IOT通信模块103中的GPS天线电路与北斗导航模块108互通位置信息，实时上传至服务器，记录位置。STM32单片机105通过高电平控制音频模块109发出语音报警信号，在STM32单片机105电路中STM32单片机芯片U1的16、17引脚连接音频模块109的GD5801语音模块U3中14、15引脚，传送电压信号给GD5801语音模块U3，通过GD5801语音模块U3中的9、10引脚控制发送信号给音频模块109中LM4871功放芯片U4中的4、5号引脚控制喇叭BEEP，以此报警，另外TF存储模块中TF1的3号引脚、5号引脚、7号引脚与GD5801语音模块U3相连，用于存放语音播放的音频文件。期间，STM32单片机105将单车的位置信息通过NB-IOT通信模块103传递给附近网点2或者移动终端报警。另外单车不需要经常更换电池，采用动力核心发电模块101，可以将用户蹬车时产生的东能转化为电能储存在锂电池102中，动能转化为的电能可以供车锁内部各种用电设备使用。STM32单片机105由电容C12、电容C13、电容C14、电容C15构成的滤波模块，使得单片机获得一个干净的电压。NB-IOT通信模块103中SIM卡用来存放手机卡，SIM卡模块U2的1、4、5、6号引脚与SIM7080G芯片S1的15、16、18号引脚通信，SIM7080G芯片S1的1、2号引脚连接串口电路，目的是为了稳定串口信号电压，使其不超出模块规定电压。SIM7080G芯片S1的34、35、36、37号引脚连接电源滤波电路，使得电源更稳定，SIM7080G芯片S1的32引脚连接的LTE网络信号模块确保网络更加流畅。最后，平移伸缩架的应用，本设计可以通过刹车片13与车轮的挤压和摩擦，达到锁车时实时抱死的状态，刹车片13利用平移伸缩架141控制，STM32单片机105控制微型驱动器143，微型驱动器143控制平移伸缩架141右侧立杆145下方的推动车轮144的移动，平移伸缩架141右侧的连接块142连接的刹车片13的移动伸出时，刹车片13抱死车轮，平移伸缩架141右侧的连接块142连接的刹车片13的移动缩回时，单车车轮可在拱形孔洞12内自由运动，这一设计避免了传统车锁需利用金属锁芯卡住车轮轮辐而达到锁车的目的，但这样的传统设计明显容易导致金属锁芯经常暴露在外而生锈，且盗车发生时，一般都是金属锁芯被破坏，而本设计下平移伸缩架141右侧的连接块142直接连接刹车片13，刹车片13抱死车轮，是施加压力和摩擦力于车轮两侧，使得盗窃者从这里无从下手。
所述STM32单片机模块105是车锁的控制核心。所述北斗定位导航模块通信信号强大，搜索速度块，面对紧急情况的时候可以快速获得精确的经纬度、海拔等位置信息。NB-IOT通信模块103，NB-IOT通信作为主要的通信方式，工作在以NB-IOT基站3-6为中心较大半径范围内；将信息传送给附近的网点。音频模块109内置语音设置，在不同的情况下，会激发特定的语音提示和语音报警信息，主动报警。语音信息为MP3格式，可以通过USB连接线，通过片程序下载模块P3下载自定义的语音以满足独特的用户需求，简单高效。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，包括车锁外壳(1)和设置在车锁外壳(1)表面的二维码扫描区(11)，其特征在于：所述车锁外壳(1)下方设有一个拱形孔洞(12)，所述车锁外壳(1)内部拱形孔洞(12)的上侧设有动力核心发电模块(101)、锂电池(102)、NB-IOT通信模块(103)、二维码识别模块(104)、STM32单片机(105)、北斗导航模块(108)和音频模块(109)，所述车锁外壳(1)两侧的内部均设有压敏传感器(1061)，所述两个压敏传感器(1061)组成压敏传感器组(106)，所述车锁外壳(1)内侧的下方且在拱形孔洞(12)的两侧均设有平移伸缩架组(14)，平移伸缩架组(14)伸缩杆上的连接块(142)通过拱形孔洞(12)两侧的通孔从车锁外壳(1)内部伸出且连接块(142)末端连接有刹车片(103)，动力核心发电模块(101)连接锂电池(102)，所述锂电池(102)分别连接压敏传感器组(106)、STM32单片机(105)、NB-IOT通信模块(103)和音频模块(109)，压敏传感器组(106)、北斗导航模块(108)和二维码识别模块(104)输入连接STM32单片机(105)，STM32单片机(105)输出连接平移伸缩架组(14)、音频模块(109)、NB-IOT通信模块(103)，所述NB-IOT通信模块(103)连接网点(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述的平移伸缩架组(14)安装在刹车片(13)前端的车锁支架内，包括平移伸缩架(141)、连接块(142)、微型驱动器(143)、推动车轮(144)、立杆(145)；立杆(145)包括左侧立杆和右侧立杆，微型驱动器(143)安装在车锁左边的左侧立杆内部且与STM32单片机(105)连接，并与平移伸缩架(141)的一端连接，平移伸缩架(141)的另一端与右侧立杆连接，右侧立杆的底部安装有推动车轮(144)，中部外侧固定有连接块(142)，连接块(142)与刹车片(13)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述STM32单片机(105)的电路元件包括STM32F103CRCT6单片机芯片U1、程序下载端口P3、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3、电容C4、电容C5、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、晶振Y1，电路连接方式如下：所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的5号引脚分别连接电阻R4的一端以及晶振Y1的一端和电容C4的一端、6号引脚分别连接电阻R4的另一端和晶振Y1的另一端和电容C5的一端，电容C4以及和电容C5的另一端接地，所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的13号引脚、19号引脚、32号引脚、48号引脚、64号引脚同时连接电容C12、电容C13、电容C14、电容C15的一端以及接地，所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的7号引脚连接电容C6和电阻R5的一端，电阻R5的另一端接3.3V电源，电容C6的另一端接地所述TM32F103CRCT6单片机芯片U1的12号引脚、18引脚、31号引脚、47号引脚、63号引脚同时连接电容C12、电容C13、电容C14、电容C15的另一端以及3V3电源，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的16号引脚、17号引脚接GD5801语音模块U3的14号引脚、15号引脚，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的22号引脚接运算放大器的3号引脚通过PA6，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的42号引脚、43号引脚接NB-IOT模块的SIM7080G芯片，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的60号引脚接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，所述STM32F103CRCT6单片机芯片U1的46号引脚、49号引脚接接程序下载端口P3的2号引脚、3号引脚，所述程序下载端口P3的1号引脚接3V3电源，所述程序下载端口P3的4号引脚接地。
4.根据权利要求3所述的一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述NB-IOT通信模块(103)的电路组成元件包括SIM7080G芯片S1、SIM模块U2、GPS模块P2、网络信号LTE模块P1，电感L1、电阻R1、电阻R2、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电容C1、电容C2、电容C3、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、发光二极管D1、发光二极管D2、发光二极管D3、发光二极管D4、三极管Q1、三极管Q2；电路连接方式如下：所述SIM模块U2的1号引脚连接电阻R17的一端，电阻R17的另一端连接SIM7080G芯片S1的15号引脚，电阻R17的另一端连接电容C17的一端，电容C17的另一端接地，所述SIM模块U2的3号引脚接地，所述SIM模块U2的5号引脚连接电阻R18的一端电阻R18的另一端连接SIM7080G芯片S1的17号引脚以及电容C19的一端，电容C19的另一端接地，所述SIM模块U2的4号引脚连接电阻R19的一端电阻R19的另一端连接SIM7080G芯片S1的16号引脚以及电容C18的一端，电容C18的另一端接地，所述SIM模块U2的6号引脚接电容C16的一端，电容C16的另一端接地，所述GPS模块P2的1号引脚和3号引脚接地，GPS模块P2的2号引脚连接电感L1的一端以及电容C1的一端，电感L1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接VBAT，电容C1的另一端连接SIM7080G芯片S1的68号引脚，所述网络信号LTE模块P1的1引脚和3号引脚接地，所述网络信号LTE模块P1的2号引脚电阻R1的一端和电容C3的一端，电阻R1的另一端接电容C2的一端以及SIM7080G芯片S1的32号引脚，电容C2和C3的另一端接地，所述SIM7080G芯片S1的30号引脚、31号引脚、33号引脚、66号引脚、67号引脚、33号引脚、8号引脚、13号引脚、19号引脚、21号引脚、27号引脚、45号引脚、63号引脚、69号引脚、70号引脚、71号引脚、71号引脚、73号引脚、74号引脚、75号引脚、76号引脚、77号引脚号引脚接地，所述SIM7080G芯片S1的40号引脚接VDD_EXT,所述SIM7080G芯片S1的41号引脚接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接发光二极管D2的正极，发光二极管D2的负极接地，所述SIM7080G芯片S1的42号引脚接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接发光二极管D4的正极，发光二极管D4的负极接地，所述SIM7080G芯片S1的34号引脚、35号引脚接电容C7、电容C8、电容C9、发光二极管D1的负极、电容C10、电容C11的一端以及VBAT和电阻R8的一端，电阻R8的另一端接发光二极管D3的正极，发光二极管D3的负极接地，所述SIM7080G芯片S1的36号引脚、37号引脚接电容C7、电容C8、电容C9、发光二极管D1的正极、电容C10、电容C11的另一端及接地，所述SIM7080G芯片S1的1号引脚接三极管Q1的发射极，三极管Q1的基极接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接VDD_EXT，三极管Q1的集电极接电阻R7的一端以及STM32F103CRCT6单片机芯片U1的42号引脚,电阻R7的另一端接VCC_UP,所述SIM7080G芯片S1的2号引脚接三极管Q2的集电极，三极管Q2的集电极接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接VCC_UP，三极管Q2的基极接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接VDD_EXT，三极管Q2的发射极接电阻R3的一端以及STM32F103CRCT6单片机芯片U1的43号引脚,电阻R13的另一端接VCC_UP。
5.根据权利要求3所述的一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述音频模块(109)电路中的电气元件包括LM4871功放芯片U4、GD5801语音模块U3、TF存储器芯片TF1、喇叭BEEP、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C26、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27和发光二极管D5；电路的连接方式如下：所述TF存储器芯片TF1的3号、5号、7号引脚分别连接GD5801语音模块U3的1号、2号、3号引脚，所述TF存储器芯片TF1的4号引脚连接电阻R24和电容C28的一端，电阻R24的另一端连接3V3电源，电容C28的另一端以及TF存储器芯片TF1的6号引脚接地，TF存储器芯片TF1的9号引脚接地，所述GD5801语音模块U3的8号引脚、13号引脚接地，所述GD5801语音模块U3的4号引脚连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接3V3电源，所述GD5801语音模块U3的7号引脚连接电容C29的一端，连接电容C29的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的16号引脚连接发光二极管D5的负极，发光二极管D5的正极连接电阻R22的一端，电阻R22的另一端接3V3电源，所述GD5801语音模块U3的12号引脚连接5V电源以及电容C27的一端，电容C27的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的11号引脚连接3V3电源以及电容C26的一端，电容C26的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的9号引脚、10号引脚别连接LM4871功放芯片U4的电容C22和电容C20，电容C22的另一端连接电阻R26，电容C20的另一端连接电阻R25，电阻R25的另一端和电阻R26的另一端相连，电阻R25的另一端和电阻R26的另一端同时连接电容C23的一端，电容C23的另一端和LM4871功放芯片U4的4号引脚以及电阻R27的一端相连，电阻R27的另一端和LM4871功放芯片U4的5号引脚相连，所述LM4871功放芯片U4的2号引脚、3号引脚共同连接电容C21的一端，电容C21的另一端接地，所述LM4871功放芯片U4的1号引脚连接电阻R20、电阻R21的一端，电阻R20的另一端接3V3电源，电阻R21的另一端接地，所述LM4871功放芯片U4的7号引脚接地，所述LM4871功放芯片U4的8号引脚接喇叭BEEP的负极，所述LM4871功放芯片U4的6号引脚接喇叭BEEP的正极以及电容C24的一端以及6V电源，电容C25的一端连接6V电源以及LM4871功放芯片U4的6号引脚，电容C24、电容C25的另一端接地，所述GD5801语音模块U3的14号引脚、15号引脚分别连接STM32F103RCT6单片机芯片U1的16号引脚、17号引脚。
6.根据权利要求3所述的一种基于CPS的共享单车车锁嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述压敏传感器(1061)电路中的电气元件包括R14电阻、R15电桥、R16滑动变阻器、运算放大器；R15电桥由Rc、Rb、Ra、Rb四个压敏应变片串联而成，电路的连接方式如下：运算放大器1号引脚连接R16滑动变阻器以及R15电桥的压敏应变片Rc和压敏应变片Rb压敏应变片的另一端，压敏应变片Ra、压敏应变片Rb的另一端与3V3电源连接，压敏应变片Rc、压敏应变片Rb的另一端接地，压敏应变片Ra、压敏应变片Rd的另一端连接运算放大器的2号引脚，运算放大器的3号引脚连接R14电阻的一端，R14电阻的另一端与运算放大器的4号引脚VCC端口和3V3电源连接，运算放大器的5号引脚接地，运算放大器的3号引脚通过PA6与STM32F103RCT6单片机芯片U1的22号引脚。
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